JP5974386B2 - 海水淡水化システム - Google Patents

Description

本発明は、海水から淡水を得る海水淡水化システムに関する。

海水から淡水を製造し、飲用あるいは工業用として提供する海水淡水化システムとしては、蒸発法、逆浸透法など種々の方式が提案されている。例えば、蒸発法は，ボイラなどの熱源を用いて海水を熱して蒸気を得，さらにこの蒸気を冷却して淡水を得る方法である。一方、逆浸透法は，加圧した海水を逆浸透膜（ＲＯ：Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ膜）と呼ばれる濾過膜に通すことで海水から淡水（造水）を濾し出す方法である。

逆浸透法による海水淡水化システムでは、ＲＯ膜の濾過性能が造水（透過水）の製造量に大きく影響する。例えば、海水中には塩分、微量金属のほか有機物・微生物が含まれており、特に微生物は、有機物を餌としてＲＯ膜の表面にバイオフィルム（バイオファウリングともいう）と呼ばれるコロニーを形成し、濾過能力を阻害する。一般にバイオフィルムが発生した海水淡水化システムでは、造水の製造量が大きく低下することが知られている。

バイオフィルムの発生を防止する方法としては、主に海水から微生物を除去するための前処理装置の設置が提案されている。前処理装置では、例えば、海水に薬品を投入することにより海水中の有機物を除去あるいは微生物を死滅させ、前処理装置内に沈殿・濾過させる方法が提案されている。一方、ＲＯ膜の表面からバイオフィルムを取り除く方法としては、ＲＯ膜の入口から薬品を投入し、化学的にバイオフィルムを除去する方法が提案されている。しかし、バイオフィルムの発生要因となる微生物の種類は多様であり、これらの方法によってバイオフィルムの発生を完全に防止することは困難である。

そこで、海水淡水化システムの圧力・流量・水の成分などを監視し、バイオフィルムの発生を検知する手法が種々提案されている。例えば、特許文献１には、監視対象となるＲＯ膜に対し、供給水圧力、供給水側の膜面浸透圧および透過水の流量を計測し、これらの計測値に基づいて膜の汚れを判定する運転方法が記載されている。この運転方法は、ＲＯ膜上に発生したバイオフィルムがＲＯ膜を透過する水の流れを阻害するという特性を利用し、供給水側の圧力、膜面浸透圧および透過水の流量からバイオフィルムの発生度合いを間接的に評価するものである。

特開平８−３９０６５号公報

しかしながら、ＲＯ膜を圧力容器中に水の流れ方向に沿って複数配置した構造を備える海水淡水化システムにおいては、海水および透過水の流量から直接的にＲＯ膜の汚れを判定することは難しい。これは、ＲＯ膜上におけるバイオフィルムの発生・進展の度合いが、圧力容器上流側で高く、また圧力容器下流側で低いという特性による。このような特性下において、ＲＯ膜を透過する透過水の量は、圧力容器上流側で低下するものの圧力容器下流側において相対的に上昇する。その結果、圧力容器全体としての流量変化が僅少となり、バイオフィルム発生の早期検知が難しいという問題がある。

本発明は、前記した従来技術の問題を解決するものであり、圧力容器中のバイオフィルムの発生度合いを精度よく検知可能な海水淡水化システムを提供することを課題とする。

本発明は、海水を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプで加圧した海水から淡水となる透過水を得る逆浸透膜と、前記逆浸透膜を収容した第１圧力容器と、前記第１圧力容器の下流側に設けられ、前記第１圧力容器に収容した逆浸透膜より長い膜長の逆浸透膜を収容するとともに前記第１圧力容器から流出した濃縮水が通流する第２圧力容器と、前記高圧ポンプを制御する制御装置と、前記第１圧力容器に流入する海水の流量を計測する第１流量計と、前記第１圧力容器から流出する濃縮水の流量を計測する第２流量計と、前記第１圧力容器に流入する海水の圧力を計測する第１圧力計と、前記第１圧力容器から流出する透過水の圧力を計測する第２圧力計と、を備え、前記制御装置は、前記第１流量計の計測値、前記第２流量計の計測値、前記第１圧力計の計測値、前記第２圧力計の計測値および以下に示す式に基づいて前記第１圧力容器の内部の逆浸透膜の透過水性能を評価することを特徴とする海水淡水化システム。
η＝（Ｆin−Ｆout）／ＦＲ・・・（ａ）
ＦＲ＝Ａ×（Ｐr−ΔＰmＲ−Ｐp−πaveＲ＋πpＲ）×Ｓ・・・（ｂ）
ただし、η：逆浸透膜の透過水性能、Ｆin：第１流量計の計測値、Ｆout：第２流量計の計測値、ＦＲ：基準透過水量、Ａ：逆浸透膜の透過係数、Ｐr：第１圧力計の計測値、Ｐp：第２圧力計の計測値、ΔＰmＲ：第１圧力容器の出入口の圧力差の基準値、πaveＲ：膜面平均浸透圧の基準値、πpＲ：透過水浸透圧の基準値、Ｓ：逆浸透膜の面積

本発明によれば、圧力容器中のバイオフィルムの発生度合いを精度よく検知可能な海水淡水化システムを提供できる。

第１実施形態に係る海水淡水化システムを示す全体構成図である。 各ＲＯ膜エレメントのバイオフィルムなしおよびバイオフィルム発生時における透過水量を示すグラフである。 各ＲＯ膜エレメントにおけるバイオフィルム発生時の透過水変化量を示す棒グラフである。 第２実施形態に係る海水淡水化システムを示す全体構成図である。 第３実施形態に係る海水淡水化システムを示す全体構成図である。 第４実施形態に係る海水淡水化システムを示す全体構成図である。

以下、本実施形態に係る海水淡水化システムについて、図面を参照して説明する。なお、以下では、逆浸透膜をＲＯ膜と略記している。

（第１実施形態）
図１に示すように、海水淡水化システム１００Ａは、ＲＯ膜モジュール１０，２０、高圧ポンプ３０、配管４１，４２，４３，４４，４５、バイパス配管４６、切替弁（切替手段）５１，５２，５３、膜監視用流量計（第１流量計）６１、補助用流量計（第２流量計）６２、監視装置（制御装置）７１および表示装置７２を含んで構成されている。

ＲＯ膜モジュール１０は、円筒形状の膜監視用圧力容器（第１圧力容器）１１（ベッセルともいう）内にＲＯ膜１２を含むエレメントを充填してモジュール化したものである。また、ＲＯ膜モジュール１０は、ＲＯ膜１２を含むエレメントを単数収容して構成されている。なお、エレメントは、ＲＯ膜１２からなる膜と、この膜を透過した透過水を集水する集水管（不図示）とを含み、膜監視用圧力容器１１に対して取り外し可能に構成されている。また、ＲＯ膜１２の構造としては、スパイラル型、中空糸型などから選択できる。また、ＲＯ膜１２の素材としては、セルロースやポリアミドなどから選択できる。

膜監視用圧力容器１１には、その軸方向（水の流れ方向）の上流端（一端）に海水が導入される入口（導入口）１１ａが形成され、下流端（他端）に濃縮水が導出される出口（導出口）１１ｂおよび透過水が導出される出口（導出口）１１ｃが形成されている。なお、膜監視用圧力容器１１は、例えば、高圧（５ＭＰａ以上）に耐え得るようにスーパーステンレス（ＰＲＥＮ（孔食係数）が４０以上の鋼種）によって構成されている。

このように構成されたＲＯ膜モジュール１０では、入口１１ａから海水Ａが導入されると、ＲＯ膜１２を透過しなかった海水Ａは、膜監視用圧力容器１１内を下流に向かうにしたがって徐々に塩分濃度が高められ、入口１１ａから導入された海水よりも塩分濃度の高い塩水（濃縮水Ｂ）が出口１１ｂから排出される。また、入口１１ａから導入された海水Ａは、ＲＯ膜１２を透過することで透過水Ｃ（造水、淡水）として出口１１ｃから排出される。

なお、ＲＯ膜モジュール１０に導入される海水Ａは、高圧ポンプ３０の上流側に設けられた前処理装置によって前処理が行われる。この前処理装置としては、例えば、限外ろ過膜（ＵＦ（Ultra Filtration）膜）を用いたＵＦ装置、精密ろ過膜（ＭＦ（Micro Filtration）膜）を用いたＭＦ装置、砂ろ過装置などが用いられる。このように、取水された海水（原水）は、前処理装置によって、それに含まれる固形性物質などが除去される。

ＲＯ膜モジュール２０は、円筒形状で前記膜監視用圧力容器１１よりも軸方向に長く形成された補助用圧力容器（第２圧力容器）２１内にＲＯ膜２２を含むエレメントを充填してモジュール化したものである。また、ＲＯ膜モジュール２０は、ＲＯ膜２２を含むエレメントを複数個（本実施形態では７個）、直列に接続して構成されている。なお、直列に接続とは、上流側のエレメントのＲＯ膜２２を透過しなかった海水Ａは、次の段のエレメントのＲＯ膜２２の海水Ａ側を通流し、上流側のエレメントのＲＯ膜２２を透過した透過水Ｃは、次の段のエレメントのＲＯ膜２２の透過水Ｃ側を通流するようにエレメント同士が接続されていることを意味する。また、ＲＯ膜２２の構造および素材は、ＲＯ膜１２と同様であり、各エレメントの形状は同じである。

補助用圧力容器２１には、その軸方向の上流端（一端）に、ＲＯ膜モジュール１０から流出した濃縮水Ｂが導入される入口（導入口）２１ａが形成され、下流端（他端）に濃縮水Ｂが導出される出口（導出口）２１ｂおよび透過水Ｃが導出される出口（導出口）２１ｃが形成されている。なお、補助用圧力容器２１の材質は、膜監視用圧力容器１１と同様である。

なお、膜監視用圧力容器１１に収容したＲＯ膜１２の膜長と、補助用圧力容器２１に収容した１個分のエレメントのＲＯ膜２２の膜長とは同じ長さに設定されている。膜長とは、水（海水）の流れ方向に対するＲＯ膜１２，２２の長さである。なお、膜長は、膜監視用圧力容器１１に収容されるＲＯ膜１２および補助用圧力容器２１に収容されるＲＯ膜２２の海水が接する表面積に比例している。図１に示す実施形態では、補助用圧力容器２１内に収容されるＲＯ膜２２の膜長Ｌ１は、膜監視用圧力容器１１に収容されるＲＯ膜１２の膜長Ｌ２よりも長く設定されている。換言すると、上流側である膜監視用圧力容器１１内に収容したエレメント数に対して、補助用圧力容器２１内に収容したエレメント数が多くなるように構成されている。

高圧ポンプ３０は、海水ＡがＲＯ膜モジュール１０のＲＯ膜１２およびＲＯ膜モジュール２０のＲＯ膜２２に対して逆浸透する高い圧力、例えば３．５〜６ＭＰａ程度に昇圧されて、ＲＯ膜モジュール１の入口１１ａに供給されるように構成されている。

配管４１は、高圧ポンプ３０の吐出口と膜監視用圧力容器１１の入口１１ａとを接続して、海水Ａを膜監視用圧力容器１１に導入する流路を構成している。

配管４２は、膜監視用圧力容器１１の出口１１ｂと補助用圧力容器２１の入口２１ａとを接続して、膜監視用圧力容器１１から導出した濃縮水を、補助用圧力容器２１に導入する流路を構成している。なお、入口２１ａは、例えば、補助用圧力容器２１の上流側の端板に形成されている。

配管４３は、その一端（上流端）が補助用圧力容器２１の出口２１ｂと接続され、他端（下流端）が海水淡水化システム１００Ａの外部と連通している（例えば、海に戻される）。

配管４４は、補助用圧力容器２１の出口２１ｃと図示しない貯水槽等（不図示）と接続され、ＲＯ膜モジュール２０から排出された透過水（造水、淡水）を貯水槽等に貯留して各種の用途に用いられる。なお、透過水Ｃは、生産水として外部のその水質レベルに応じた用途に供給される。また、出口２１ｂ，２１ｃは、例えば、補助用圧力容器２１の下流側の端板に形成されている。

配管４５は、一端（上流端）が膜監視用圧力容器１１の出口１１ｃと接続され、他端（下流端）が配管４４と合流するように接続され、透過水が通流する流路を構成している。

バイパス配管４６は、上流端（一端）が配管４１に接続され、下流端（他端）が配管４２に接続され、ＲＯ膜モジュール１０をバイパスする流路を構成している。

切替弁５１は、配管４１上のバイパス配管４６の分岐点Ｓ１と膜監視用圧力容器１１の入口１１ａとの間に設けられている。切替弁５２は、配管４２上の膜監視用圧力容器１１の出口１１ｂとバイパス配管４６の合流点Ｓ２との間に設けられている。切替弁５３は、バイパス配管４６に設けられている。なお、切替弁５１，５２，５３は、全開と全閉のいずれかに切り替えることができるオンオフ式（開閉式）の弁であり、モータ駆動の電動弁、電磁作動式の電磁弁、エアで作動するエア作動弁などを用いることができる。なお、本実施形態では、切替弁５１，５２，５３によって切替手段が構成されている。

膜監視用流量計６１は、配管４１の高圧ポンプ３０と切替弁５１との間に設けられ、膜監視用圧力容器１１に流入する海水Ａの流量を計測する。補助用流量計６２は、配管４２の切替弁５２と補助用圧力容器２１との間に設けられ、膜監視用圧力容器１１から流出する濃縮水Ｂの流量を計測する。

監視装置７１は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を搭載したＣＰＵボード、入出力インターフェースボード等を搭載し、高圧ポンプ３０の駆動モータの回転速度、切替弁５１，５２，５３のそれぞれの開閉動作を制御し、また膜監視用流量計６１の計測値（流量）および補助用流量計６２の計測値（流量）を取得する。

また、監視装置７１は、膜監視用流量計６１の計測値と、補助用流量計６２の計測値とに基づいて膜監視用圧力容器１１の内部のＲＯ膜１２の透過水性能を評価、つまりバイオフィルムの発生状態を推定し、その結果を表示装置７２に出力する。なお、バイオフィルムの発生状態の推定方法（算出方法）については後記する。

なお、本実施形態では、切替弁５１，５２を閉じるとともに切替弁５３を開くことにより、高圧ポンプ３０からの海水Ａをバイパス配管４６に通流させ、海水Ａを直接に補助用圧力容器２１に導くことができる。これにより、膜監視用圧力容器１１を開放してＲＯ膜１２を取り出して、ＲＯ膜１２におけるバイオフィルムの発生状態を目視により確認することができる。

次に、圧力容器を、膜監視用圧力容器１１に収容する（封入する）ＲＯ膜１２と、補助用圧力容器２１に収容する（封入する）ＲＯ膜２２とに分割する方法について説明する。図２は、各ＲＯ膜エレメントのバイオフィルムなしおよびバイオフィルム発生時における透過水量を示すグラフ、図３は、各ＲＯ膜エレメントにおけるバイオフィルム発生時の透過水変化量を示す棒グラフである。

なお、図２では、圧力容器に収容されたＲＯ膜（エレメント）に対し、各ＲＯ膜（各エレメント）における透過水量の関係を示している。番号１で示すＲＯ膜（エレメント）は、圧力容器の入口側を示し、番号８で示すＲＯ膜は、圧力容器の出口側を示している。また、図２において、縦軸は、各ＲＯ膜（エレメント）における透過水量を上流側から流れ方向に沿って連続的に示している。

図２において実線で示すように、バイオフィルムなしの場合（バイオフィルムが発生していない場合）には、各エレメントにおける透過水量が上流から下流に向けて減衰する特性を有する。一方、図２において破線で示すように、バイオフィルム発生時には、透過水量の多い上流側でバイオフィルムの形成が促進されることから、上流側での透過水量が特に低下し、海水（供給水）の圧力が高い状態のまま下流に海水（供給水）が送られることで下流側での透過水量が高くなる特性となる。

ところで、一般にＲＯ膜は、ポリアミドなどに代表される高分子素材により構成されており、その表面に空孔を有する構造である。海水は空孔を通して濾過されて淡水となるが、海水中の微生物はこの空孔を足がかりとしてコロニーを形成し、有機物を得て成長し、空孔の閉塞へと至る。

一方、ＲＯ膜の各エレメントにおける透過水量Ｆは、以下の式１に示すように、供給水圧力差Δｐと各エレメントにおける膜面浸透圧Δπとの差、膜の透過係数Ａ１、膜の面積Ｓに基づいて算出される。すなわち、透過水量Ｆは、供給水圧力差Δｐと各エレメントにおける膜面浸透圧Δπとの差、膜の透過係数Ａ１、膜の面積Ｓに、比例している。
Ｆ＝Ａ１×（Δｐ−Δπ）×Ｓ ・・・ （式１）

なお、透過水量Ｆは、標準状態での透過水量（ＦＲ）を示している。膜の透過係数Ａ１（固定値）は、大きければ大きいほど流れ易く、小さければ小さいほど流れにくくなる。膜の面積Ｓは、海水が接触するときの面積（表面積）であり、大きければ大きいほど透過水量は多くなる。また、膜の面積Ｓは、膜のサイズで決まるので、固定値である。よって、透過水量Ｆは、供給水圧力差Δｐと各エレメントにおける膜面浸透圧Δπとの差に基づいて変化する。

前記した式１に示す供給水圧力差Δｐは、以下の式２に示すように、供給水圧力Ｐr、透過水圧力Ｐpおよび膜モジュール出入口の圧力差ΔＰmに基づいて算出される。
Δｐ＝Ｐr−ΔＰm−Ｐp ・・・ （式２）

なお、供給水圧力差Δｐは、供給水（海水）側から透過水側にかかる圧力である。供給水圧力Ｐrは、膜監視用圧力容器１１の上流側にかかる圧力である。透過水圧力Ｐpは、膜監視用圧力容器１１の透過水が流出する側の下流側にかかる圧力である。膜モジュール出入口の圧力差ΔＰmは、膜監視用圧力容器１１の海水側の入口１１ａと出口１１ｂの圧力差である。

前記した式１に示す膜面浸透圧Δπは、以下の式３に示すように、膜面平均浸透圧πaveおよび透過水浸透圧πpに基づいて算出される。
Δπ＝πave−πp ・・・ （式３）

なお、膜面平均浸透圧πaveは、膜にかかる浸透圧である。透過水浸透圧πpは、透過水側でかかる浸透圧である。

これら式１〜式３により、透過水量Ｆは、供給水圧力Ｐrが高く、かつ、膜面平均浸透圧πaveが低い（塩濃度が低い）上流側において高くなる一方で、供給水圧力Ｐrが低く、かつ、膜面平均浸透圧πaveが高い（塩濃度が高い）下流側において低くなる特性を有する。

また、バイオフィルムの形成は、上流側で促進されることから、上流側でバイオフィルムの付着によって透過水量Ｆが低下したとしても下流側は清浄な状態であるので、流れ易い下流側で透過水量が増加する。また、バイオフィルムによって上流側で透過水量が低下すると、そのままの圧力（高い圧力のまま）で海水が流れるので、下流側で透過水量が増加する。このように、上流側では、汚れることで徐々に透過水量が減少するが、下流側では、むしろ透過水量が増加することになる。

そこで、海水淡水化システム１００Ａでは、図３に示すように、バイオフィルムの付着によって各エレメントにおいてその上流と下流との間における透過水量の変化が最も大きくなるエレメントの上流側と下流側の流量を計測する。すなわち、圧力容器を膜監視用圧力容器１１と補助用圧力容器２１とに二分割し、膜監視用圧力容器１１に、透過水量の変化が最も高い番号１のエレメントを収容し（封入し）、補助用圧力容器２１に、それ以外の番号２〜８のエレメントを収容する（封入する）。

また、海水淡水化システム１００Ａでは、膜監視用圧力容器１１の上流（入口）に膜監視用流量計６１を設けるとともに、下流（出口）に補助用流量計６２を設けて、監視装置１４によって膜の汚れ度（逆浸透膜の透過水性能）を係数ηとして推定する。膜の汚れ度ηは、以下の式４に示すように、膜監視用流量計６１の計測値Ｆin、補助用流量計６２の計測値Ｆout、基準透過水量ＦＲに基づいて算出される。
η＝（Ｆin−Ｆout）／ＦＲ ・・・ （式４）

なお、基準透過水量ＦＲ（透過水量Ｆの基準値）は、エレメント（膜）交換直後における透過水量であり、前記した式１〜式３に基づいて算出することができる。また、海水淡水化システム１００Ａでは、最高効率で運転されることが適切であるので、供給水圧力Ｐrが一定となるように運転されることが好ましい。このように、供給水圧力Ｐrを一定として運転する場合には、式１〜式３を用いて基準透過水量ＦＲを求めてもよい。

すなわち、式２に示す膜モジュール出入口の圧力差ΔＰmおよび後記する式５に示す膜モジュール出入口の圧力差ΔＰmＲは、膜メーカが提示した近似式を用いて算出することができる。この近似式は、経験的に流速の関数として定義されており、膜監視用流量計６１の計測値Ｆinと補助用流量計６２の計測値Ｆoutの平均値［（Ｆin＋Ｆout）／２］が用いられる。つまり、膜監視用圧力容器１１の半径（内径）をＤとすると、流速＝平均値（ｍ^３／ｓ）÷流路断面積（ｍ^２）＝［（Ｆin＋Ｆout）／２］×［１／πＤ^２］で表すことができる。

また、透過水圧力Ｐｐは、境界条件（例えば、一定値）であり、基本的に大気圧に準じるものである。

また、式３に示す膜面平均浸透圧πaveおよび後記する式５に示す膜面平均浸透圧の基準値πaveＲは、簡易式として三宅式（Chemical Studies of the Western Pacific Ocean. III. Freezing Point, Osmotic Pressure, Boiling Point,and Vapour Pressure of Sea Water/Yasuo Miyake/Journal:Bulletin of The Chemical Society of Japan-BULL CHEM SOC JPN,vol.14,no.3,pp.58-62,1939）を用いることができる。すなわち、膜面平均浸透圧およびその基準値は、πave(MPa)＝((1.240・Clave＋0.00454・Clave・ｔ)・1.0332・10^-3/10.19716に基づいて算出される。ここで、Claveは供給水と濃縮水の平均塩素濃度(mg/L)、ｔは水温(℃)である。また、透過水浸透圧πｐおよびその基準値については、同様に透過水Ｃの塩モル濃度Ｃpmol(mol/L)および温度ｔから物性式（例えば、πp(MPa)＝0.0787・(ｔ＋273.15)Ｃpmol／10.19716に基づいて求められる。なお、塩濃度に関しては、直接計測した値を用いてもよいが、計画値（設計時の海水濃度）の値を用いてもよい。

以上説明した海水淡水化システム１００Ａは、ＲＯ膜を収容した膜監視用圧力容器１１と、膜監視用圧力容器１１の下流側に膜監視用圧力容器１１に収容したＲＯ膜より長い膜長のＲＯ膜を収容するとともに膜監視用圧力容器１１から流出した濃縮水が通流する補助用圧力容器２１と、膜監視用圧力容器１１に流入する海水の流量を計測する膜監視用流量計６１と、膜監視用圧力容器１１から流出する濃縮水の流量を計測する補助用流量計６２と、膜監視用流量計６１の計測値Ｆinおよび補助用流量計６２の計測値Ｆoutに基づいて膜監視用圧力容器１１の内部のＲＯ膜１２の透過水性能を評価する監視装置７１と、を備える。これによれば、最もバイオフィルムが成長する膜監視用圧力容器１１中のＲＯ膜１２の透過水量を計測するため、バイオフィルムの発生初期段階からバイオフィルムの発生状況を検知することが可能となり、膜監視用圧力容器１１中のバイオフィルムの発生度合いを精度よく検知できる。

また、海水淡水化システム１００Ａは、膜監視用圧力容器１１に収容するＲＯ膜１２の膜長および補助用圧力容器２１に収容するＲＯ膜２２の膜長を、ＲＯ膜の透過水量から決定する（図２および図３参照）。これによれば、膜監視用圧力容器１１に収容するＲＯ膜１２の膜長Ｌ２を適切に設定することができ、膜監視用圧力容器１１内の膜の汚れ度ηを膜監視用流量計６１と補助用流量計６２の各計測値から精度よく推定することが可能になる。

また、海水淡水化システム１００Ａは、バイパス配管４６と、切替弁（切替手段）５１，５２，５３とを備え、監視装置７１によって、切替弁５１，５２を閉じるとともに切替弁５３を開くことにより、膜監視用圧力容器１１のみの通水を停止して膜監視用圧力容器１１内を視認することによって、バイオフィルムの発生状況を容易に確認することができる。しかも、膜監視用圧力容器１１の通水のみを停止し、補助用圧力容器２１の通水を継続できるので、海水淡水化システム１００Ａとしての効率を大きく損なうことなく、バイオフィルムの発生状況を確認することができ、また必要に応じてＲＯ膜１２（エレメント）を新品に交換することができる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係る海水淡水化システムを示す全体構成図である。なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図４に示すように、海水淡水化システム１００Ｂは、ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄを並列に接続して構成されている。ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄのうちの一つであるＲＯ膜モジュール８０Ａは、ＲＯ膜１２を収容した膜監視用圧力容器１１（第１圧力容器）と、膜監視用圧力容器１１の下流側に設けられ、膜監視用圧力容器１１に収容したＲＯ膜１２より長い膜長のＲＯ膜２２を収容するとともに膜監視用圧力容器１１から流出した濃縮水Ｂが通流する補助用圧力容器２１（第２圧力容器）と、を備えている。

膜監視用圧力容器１１は、透過水Ｃの出口（導出口）１１ｃが、配管４８を介して補助用圧力容器２１の透過水の入口（導入口）２１ｄと接続されている。すなわち、第２実施形態では、膜監視用圧力容器１１から流出した濃縮水Ｂおよび透過水Ｃの双方が、補助用圧力容器２１に流入するように構成されている。

ＲＯ膜モジュール８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄは、いずれも同じ構成であり、ＲＯ膜８２を収容した（封入した）圧力容器８１を備えている。このＲＯ膜８２は、ＲＯ膜モジュール８０ＡにおけるＲＯ膜１２の膜長とＲＯ膜２２の膜長を加算した膜長に設定されている。なお、ＲＯ膜モジュール８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄの圧力容器８１とＲＯ膜モジュール８０Ａの膜監視用圧力容器１１および補助用圧力容器２１とが、圧力容器群８０に対応している。

また、海水淡水化システム１００Ｂは、高圧ポンプ３０の吐出側（下流側）と圧力容器群８０との間に海水側ヘッダ４７を備え、海水側ヘッダ４７が配管４１を介して膜監視用圧力容器１１と接続され、各配管９３を介して各圧力容器８１の海水の入口８１ａと接続されている。また、各配管９３には、切替弁５１と同様な切替弁９１が設けられ、監視装置７１によって開閉制御される。

また、海水淡水化システム１００Ｂは、補助用圧力容器２１および各圧力容器８１と外部との間に濃縮水ヘッダ４９を備えている。この濃縮水ヘッダ４９は、配管４３を介して補助用圧力容器２１の出口２１ｂと接続され、各配管９４を介して各圧力容器８１の濃縮水Ｂの出口８１ｂと接続されている。また、配管９４には、切替弁５２と同様な切替弁９２が設けられている。この切替弁９２と前記切替弁９１とを閉じることにより、通流が停止したＲＯ膜モジュール８０Ｂ（８０Ｃ，８０Ｄ）のＲＯ膜８２を新品に交換することができる。

また、各補助用圧力容器８１の透過水Ｃの出口８１ｃは、配管９５を介して配管４４に接続され、補助用圧力容器２１および圧力容器８１から流出した透過水Ｃが合流している。合流後の透過水（淡水、造水）は、図示しない貯水槽等に貯留され、各種の用途に用いられる。

以上のように、海水淡水化システム１００Ｂは、圧力容器群８０に収容したＲＯ膜１２，２２，８２におけるバイオフィルム発生状況（膜の汚れ度η、ＲＯ膜の透過水性能）を、膜監視用流量計６１によって計測される膜監視用圧力容器１１に流入する海水Ａの流量、および補助用流量計６２によって計測される膜監視用圧力容器１１から流出する濃縮水Ｂの流量に基づいて推定する。これにより、海水淡水化システム１００Ａから得られる効果に加えて、海水淡水化システム１００Ｂ全体（プラント全体）におけるバイオフィルムの発生状況（ＲＯ膜１２の透過水性能、膜の汚れ度η）を、最小限の計測器（膜監視用流量計６１および補助用流量計６２）にて評価することが可能になる。

また、海水淡水化システム１００Ｂは、膜監視用圧力容器１１から流出した濃縮水Ｂを補助用圧力容器２１に導入するだけでなく、さらに膜監視用圧力容器１１から流出した透過水Ｃを補助用圧力容器２１に導入している。これにより、海水淡水化システム１００Ｂの配管の構成を簡略化することができ、つまり、膜監視用圧力容器１１の出口１１ｃから延びる配管４８を補助用圧力容器２１をバイパスして配管４４に合流するように引き回す必要がないので、海水淡水化システム１００Ｂを小型化することが可能になる。

なお、海水淡水化システム１００Ｂでは、海水淡水化システム１００Ａと同様にして、バイパス配管４６および切替弁５３を追加してもよい。これにより、補助用圧力容器２１への海水の流入を停止させることなく、膜監視用圧力容器１１内のＲＯ膜１２を視認して、バイオフィルムの発生状況を確認することができる。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態に係る海水淡水化システムを示す全体構成図である。海水淡水化システム１００Ｃは、海水淡水化システム１００Ｂの圧力容器群８０の複数（すべて）を膜監視用圧力容器１１と補助用圧力容器２１とに分割して構成したものである。これは、各ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄにおいてヘッド差があり（鉛直方向の高さ位置が異なり）、各ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄに流入する海水の流量などに差が生じ、膜の汚れ度ηが異なる場合に適用することができる。

すなわち、海水淡水化システム１００Ｃは、ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄをそれぞれ膜監視用圧力容器１１と補助用圧力容器２１とに分割し、膜監視用圧力容器１１の海水Ａの流入側に膜監視用流量計６１を設けるとともに、膜監視用圧力容器１１の濃縮水Ｂの流出側に補助用流量計６２を設けるように構成されている。

このように、ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄを並列に複数配置する場合において、ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄ間においてヘッド差が生じるときには、圧力容器群８０のうちすべての圧力容器を膜監視用圧力容器１１と補助用圧力容器２１とに分割し、各膜監視用圧力容器１１の海水流入側の流量Ｆinと濃縮水流出側の流量Ｆoutとを検出して、バイオフィルムの発生状況（ＲＯ膜１２の透過水性能、膜の汚れ度η）を検出するようにしてもよい。

これにより、海水淡水化システム１００Ｃでは、それぞれのＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄにおいて、バイオフィルムの発生状況（膜の汚れ度η）を精度よく検出することができる。その結果として、各ＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄを適切なタイミングで交換することができる。

なお、海水淡水化システム１００Ｂでは、圧力容器群８０のすべての圧力容器を、膜監視用圧力容器１１と補助用圧力容器２１とに分割して構成しているが、これに限定されるものではなく、図４に示すように少なくとも一つであればよく、圧力容器群８０のうちの２つの圧力容器をそれぞれ前記のように分割してもよく、圧力容器群８０のうちの３つの圧力容器をそれぞれ前記のように分割してもよい。また、圧力容器群８０は、４つのＲＯ膜モジュール８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄを並列にする構成に限定されるものではなく、２つ、３つまたは５つ以上のＲＯ膜モジュールを並列に構成するものであってもよい。

（第４実施形態）
図６は第４実施形態に係る海水淡水化システムを示す全体構成図である。この海水淡水化システム１００Ｄは、海水淡水化システム１００Ａに、膜監視用圧力容器１１の海水流入側に膜監視用圧力計（第１圧力計）６３を設けるとともに、膜監視用圧力容器１１の透過水流出側に補助用圧力計（第２圧力計）６４を追加して構成したものである。なお、膜監視用圧力計６３の計測値は、前記で説明した供給水圧力Ｐrに対応し、補助用圧力計６４の計測値は、前記で説明した透過水圧力Ｐpに対応する。

そして、これら供給水圧力Ｐrおよび透過水圧力Ｐpを計測（実測）し、以下の式５に基づいて基準透過水量ＦＲを算出してもよい。なお、ΔＰmＲ、πaveＲおよびπpＲについては、例えば、式２で説明した近似式、式３で説明した三宅式と同様である。
ＦＲ＝Ａ×（Ｐr−ΔＰmＲ−Ｐp−πaveＲ＋πpＲ）×Ｓ ・・・ （式５）

海水淡水化システム１００Ｄによれば、海水淡水化システム１００Ａによる得られる効果に加えて、供給水圧力Ｐrと透過水圧力Ｐpとを計測（実測）することにより、供給水圧力Ｐrや透過水圧力Ｐpが変化した場合でも、精度よく基準透過水量ＦＲを計測することができる。基準透過水量ＦＲを精度よく計測することにより、前記した式４において、基準透過水量ＦＲ、膜監視用流量計６１の計測値Ｆinおよび補助用流量計６２の計測値Ｆoutを適用することにより、ＲＯ膜１２の膜の汚れ度ηを精度よく推定することが可能になる。

なお、前記した各実施形態では、単一のエレメント（膜長Ｌ２のＲＯ膜１２）と、７コのエレメント（膜長Ｌ１のＲＯ膜２２）とに分割した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ＲＯ膜の特性に応じて、例えば、透過水量変化量が大きいＲＯ膜エレメント番号が番号１と番号２の場合には、膜監視用圧力容器１１に番号１と番号２のエレメント（ＲＯ膜）を収容し（封入し）、補助用圧力容器２１に番号３〜８のエレメント（ＲＯ膜）を収容する（封入する）ようにしてもよく、適宜変更することができる。

また、膜の汚れ度ηにおける透過水量Ｆ（ＦＲ）を算出する方法としては、近似式を用いたり、三宅式を用いることに限定されるものではなく、膜監視用流量計６１および補助用流量計６２の各計測値を用いて算出できるものであれば、前記した実施形態に限定されるものではない。

また、海水淡水化システム１００Ｄでは、海水淡水化システム１００Ｂ，１００Ｃと同様に、膜監視用圧力容器１１から流出する透過水Ｃを、補助用圧力容器２１に導入するように構成してもよい。

また、図示していないが、海水淡水化システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄに、膜監視用圧力容器１１内のＲＯ膜１２に付着したバイオフィルムを洗浄する洗浄装置を追加してもよい。この洗浄装置としては、例えば、膜監視用圧力容器１１の出口１１ｂ側から洗浄水を導入する逆流洗浄を適用してもよい。また、洗浄装置としては、薬液（酸、アルカリ、キレート剤、界面活性剤など）による洗浄を適用または薬液による洗浄と逆流による洗浄とを併用してもよい。

また、第１実施形態ないし第４実施形態のうちの複数を適宜選択して構成してもよい。

１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ 海水淡水化システム
１０ 膜監視用ＲＯ膜モジュール
１１ 膜監視用圧力容器（第１圧力容器）
１２ ＲＯ膜（逆浸透膜）
２０ 補助用ＲＯ膜モジュール
２１ 補助用圧力容器（第２圧力容器）
２２ ＲＯ膜（逆浸透膜）
３０ 高圧ポンプ
４１，４２，４３，４４，４５ 配管
４６ バイパス配管
５１，５２，５３ 切替弁（切替手段）
６１ 膜監視用流量計（第１流量計）
６２ 補助用流量計（第２流量計）
６３ 膜監視用圧力計（第１圧力計）
６４ 補助用圧力計（第２圧力計）
７１ 監視装置（制御装置）
８０ 圧力容器群
８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄ ＲＯ膜モジュール
Ａ 海水
Ｂ 濃縮水
Ｃ 透過水
Ｌ１，Ｌ２ 膜長

Claims (5)

1. 海水を加圧する高圧ポンプと、
   前記高圧ポンプで加圧した海水から淡水となる透過水を得る逆浸透膜と、
   前記逆浸透膜を収容した第１圧力容器と、
   前記第１圧力容器の下流側に設けられ、前記第１圧力容器に収容した逆浸透膜より長い膜長の逆浸透膜を収容するとともに前記第１圧力容器から流出した濃縮水が通流する第２圧力容器と、
   前記高圧ポンプを制御する制御装置と、
   前記第１圧力容器に流入する海水の流量を計測する第１流量計と、
   前記第１圧力容器から流出する濃縮水の流量を計測する第２流量計と、
   前記第１圧力容器に流入する海水の圧力を計測する第１圧力計と、
   前記第１圧力容器から流出する透過水の圧力を計測する第２圧力計と、を備え、
   前記制御装置は、前記第１流量計の計測値、前記第２流量計の計測値、前記第１圧力計の計測値、前記第２圧力計の計測値および以下に示す式に基づいて前記第１圧力容器の内部の逆浸透膜の透過水性能を評価することを特徴とする海水淡水化システム。
   η＝（Ｆin−Ｆout）／ＦＲ・・・（ａ）
   ＦＲ＝Ａ×（Ｐr−ΔＰmＲ−Ｐp−πaveＲ＋πpＲ）×Ｓ・・・（ｂ）
   ただし、η：逆浸透膜の透過水性能、Ｆin：第１流量計の計測値、Ｆout：第２流量計の計測値、ＦＲ：基準透過水量、Ａ：逆浸透膜の透過係数、Ｐr：第１圧力計の計測値、Ｐp：第２圧力計の計測値、ΔＰmＲ：第１圧力容器の出入口の圧力差の基準値、πaveＲ：膜面平均浸透圧の基準値、πpＲ：透過水浸透圧の基準値、Ｓ：逆浸透膜の面積
2. 海水を加圧する高圧ポンプと、
   前記高圧ポンプで加圧した海水から淡水となる透過水を得る逆浸透膜と、
   前記逆浸透膜を収容した圧力容器を並列に接続した圧力容器群と、
   前記高圧ポンプを制御する制御装置と、を備え、
   前記圧力容器群の少なくともひとつは、
   前記圧力容器を分割して得られる第１圧力容器と、
   前記第１圧力容器の下流側に設けられ、前記第１圧力容器に収容した逆浸透膜より長い膜長の逆浸透膜を収容するとともに前記第１圧力容器から流出した濃縮水が通流する第２圧力容器と、
   前記第１圧力容器に流入する海水の流量を計測する第１流量計と、
   前記第１圧力容器から流出する濃縮水の流量を計測する第２流量計と、
   前記第１圧力容器に流入する海水の圧力を計測する第１圧力計と、
   前記第１圧力容器から流出する透過水の圧力を計測する第２圧力計と、を備え、
   前記制御装置は、前記第１流量計の計測値、前記第２流量計の計測値、前記第１圧力計の計測値、前記第２圧力計の計測値および以下に示す式に基づいて前記第１圧力容器の内部の逆浸透膜の透過水性能を評価することを特徴とする海水淡水化システム。
   η＝（Ｆin−Ｆout）／ＦＲ・・・（ａ）
   ＦＲ＝Ａ×（Ｐr−ΔＰmＲ−Ｐp−πaveＲ＋πpＲ）×Ｓ・・・（ｂ）
   ただし、η：逆浸透膜の透過水性能、Ｆin：第１流量計の計測値、Ｆout：第２流量計の計測値、ＦＲ：基準透過水量、Ａ：逆浸透膜の透過係数、Ｐr：第１圧力計の計測値、Ｐp：第２圧力計の計測値、ΔＰmＲ：第１圧力容器の出入口の圧力差の基準値、πaveＲ：膜面平均浸透圧の基準値、πpＲ：透過水浸透圧の基準値、Ｓ：逆浸透膜の面積
3. 前記第１圧力容器に収容する逆浸透膜の膜長および前記第２圧力容器に収容する逆浸透膜の膜長を、前記逆浸透膜の透過水量から決定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の海水淡水化システム。
4. 前記第１圧力容器から流出した前記透過水を、前記第２圧力容器に導入することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の海水淡水化システム。
5. 前記高圧ポンプからの海水を、前記第１圧力容器をバイパスして前記第２圧力容器に導入するバイパス配管と、
   前記第１圧力容器への海水の導入を停止するとともに、前記バイパス配管に海水を導入する切替手段と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の海水淡水化システム。

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